量子態(tài)（微觀(guān)粒子的運動(dòng)狀態(tài)）
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量子態(tài)
微觀(guān)粒子的運動(dòng)狀態(tài)
基本信息
| 中文名 | 量子態(tài) |
| 外文名 | quantum state |
| 定義 | 微觀(guān)粒子 的運動(dòng)狀態(tài) |
| 類(lèi)型 | 物理學(xué)術(shù)語(yǔ) |
| 提出者 | 玻爾（N. Bohr） |
| 提出時(shí)間 | 1913 |
| 應用學(xué)科 | |
| 適用領(lǐng)域 |
收起
理論介紹
理論方法
分析方法
“原子”或“以太”；“球量子”與“環(huán)量子”概念”。薛曉舟教授介紹的情況，古希臘留基伯認為，“原子”或“以太”和“虛空”是萬(wàn)物之源，這實(shí)際是個(gè)“非對易代數”類(lèi)似的“量子理論”。即如果把不可分割的“原子”或“以太”看成是實(shí)數，“虛空”看成是虛數，實(shí)數與虛數存在有不可對易性。這里，“非對易”可近似理解為“非對應”。彭羅斯認為“非對應”最終含有“不可計算性。
liqichuan先生所說(shuō)：“來(lái)源于我們所處的空間為三維的模式，球狀正是這樣一個(gè)空間最好的體現，而環(huán)狀量子卻違背了這樣一個(gè)空間的基底”。也正是如此，現代科學(xué)才建立了以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強大而十分鞏固的“政權”。也許liqichuan（李奇傳）先生所說(shuō)的“復辟”，就是指會(huì )動(dòng)搖以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強大而十分鞏固的“科學(xué)政權”的理論研究。在近代科學(xué)中引出的負數開(kāi)平方，如所謂“扭量從開(kāi)根號”，就是有人說(shuō)的：“-1可以開(kāi)根號得到復數，而微分算子可以開(kāi)根號得到旋量。復數不能比較大小。但量子力學(xué)的波函數是復數的，描述粒子具有自旋，而廣義相對論一直用世界線(xiàn)來(lái)描述粒子，于是相對論有一個(gè)基本的問(wèn)題是，世界線(xiàn)體現出粒子的自旋，即
。”這無(wú)疑是對以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強大而十分鞏固的“科學(xué)政權”不利，所以liqichuan先生才說(shuō)出“把數作為宇宙的根本則是畢達哥拉斯派的復辟”的話(huà)。他的解釋是：“復數和復數方程是物理學(xué)中在處理復雜問(wèn)題時(shí)所經(jīng)常用到的數學(xué)手段，但討論到具體問(wèn)題時(shí)則采用實(shí)數解，因為只有實(shí)數解才與觀(guān)測符合”。這個(gè)解釋不正確，因為類(lèi)似牛頓力學(xué)體系方程、麥克斯韋電磁力學(xué)體系方程、愛(ài)因斯坦相對論力學(xué)體系方程、薛定諤量子力學(xué)波動(dòng)方程等絕大多數物理學(xué)方程的數學(xué)手段，都沒(méi)有解決好復雜的時(shí)間箭頭問(wèn)題，所以用這種處理辦法才是可取的。例如愛(ài)因斯坦的狹義相對論，就是舍棄取虛數解的辦法而使計算具有簡(jiǎn)單性；相反，崔珺達教授的復合時(shí)空量子理論，則把愛(ài)因斯坦狹義相對論舍棄的虛數解撿拾起來(lái)，但對時(shí)間箭頭問(wèn)題并沒(méi)有解決，反而把簡(jiǎn)單的數學(xué)手段弄復雜化了。
聽(tīng)起來(lái)，這并不像是一個(gè)復雜的實(shí)驗：位于北京八達嶺長(cháng)城腳下的送信者，要向站在河北省張家口市懷來(lái)縣的收信者發(fā)出一段信息。這段距離僅有16公里，在晴朗的白天，他們彼此甚至目力可及。只是，這并不是一封信、手機短信或電子郵件，而是好像“時(shí)鐘指針”一樣表示著(zhù)量子運動(dòng)狀態(tài)的量子態(tài)。
這已經(jīng)是量子態(tài)目前在世界上跑出的最長(cháng)距離。6月1日，世界頂級科學(xué)刊物《自然》雜志的子刊《自然·光子學(xué)》以封面論文的形式，刊登了這項成果：一個(gè)量子態(tài)在八達嶺消失后，在并沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何載體的情況下，瞬間出現在了16公里以外。實(shí)驗的名稱(chēng)叫做自由空間量子隱形傳態(tài)，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組完成。
量子通信應用
這確實(shí)是一個(gè)難以令人理解的研究領(lǐng)域，面對抱著(zhù)巨大好奇心的公眾，研究者不禁感到苦惱，“想要給大家都講明白實(shí)在是一件痛苦的事”。
早在3年前，中科大前校長(cháng)朱清時(shí)院士在形容負責組建聯(lián)合小組的中科大教授潘建偉時(shí)也聲稱(chēng)，潘在量子通信領(lǐng)域的工作“對于一般人來(lái)說(shuō)是難以理解的”，“不然會(huì )感到更強的震撼力”。
在奇特的量子世界里，量子存在一種奇妙的“糾纏”運動(dòng)狀態(tài)。中科大量子信息實(shí)驗室教授彭承志愿意將一對糾纏狀態(tài)下的光子比作有著(zhù)“心電感應”的兩個(gè)粒子。再用個(gè)更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對“心有靈犀”的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個(gè)骰子，甲隨意擲一下骰子是5 點(diǎn)，與此同時(shí)，乙手中的骰子會(huì )自動(dòng)翻轉到5點(diǎn)。
事實(shí)上，乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握著(zhù)幾點(diǎn)。因為在物理學(xué)上，每一次對糾纏光子的測量都會(huì )破壞原有的狀態(tài)，“就像冰淇淋，你必須嘗一口才知道它的味道。但當你嘗了一口時(shí)，冰淇淋就已經(jīng)發(fā)生改變。”一個(gè)專(zhuān)業(yè)人士這樣解釋。
因此，甲只需要通過(guò)電話(huà)、短信等渠道告訴乙，自己剛剛擲出了5點(diǎn)。乙即便不用攤開(kāi)手掌，也可以知道自己手邊這個(gè)“心電感應”的骰子也成了5點(diǎn)。
這聽(tīng)起來(lái)就像一場(chǎng)魔術(shù)表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類(lèi)似“轉成5點(diǎn)”之類(lèi)的信息，而不是實(shí)物。
隱形傳輸距離
事實(shí)上，在量子態(tài)隱形傳輸經(jīng)歷的漫長(cháng)旅程中，每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。1997年年底，位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實(shí)驗平臺上幾米的距離內成功地進(jìn)行了這一實(shí)驗。
雖然當時(shí)的傳輸距離僅達數米，但美國《科學(xué)》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進(jìn)展。《科學(xué)》雜志的評語(yǔ)是：“盡管想要看到《星際旅行》中‘發(fā)送我吧’這樣的場(chǎng)景，我們還得等上一些年，但量子態(tài)隱形傳輸這項發(fā)現，預示著(zhù)我們將進(jìn)入由具有不可思議的能力的量子計算機發(fā)展而帶來(lái)的新時(shí)代。”
科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂(lè )史上排名榜首。它講述了人類(lèi)的夢(mèng)想：宇航員在特殊裝置中平靜地說(shuō)一句，“發(fā)送我吧，蘇格蘭人”，他就會(huì )瞬間轉移到外星球。在經(jīng)典游戲“暗黑破壞神”中，女巫角色的技能是“瞬間轉移”。只要施展這個(gè)魔法，女巫就會(huì )伴著(zhù)一道閃光消失，并出現在任意一個(gè)想去的地方。
1999年，奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現X射線(xiàn)、愛(ài)因斯坦建立相對論等重大研究成果一起，被英國《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。當時(shí)26歲的年輕人潘建偉正在奧地利維也納大學(xué)跟著(zhù)蔡林格教授學(xué)習量子技術(shù)，他的名字也在小組名單中。
這次中國的實(shí)驗在技術(shù)上有了重大創(chuàng )新，光子在傳播過(guò)程中會(huì )因偏振而引起變化，聯(lián)合小組的科學(xué)家們對此進(jìn)行了“正反饋”，即用簡(jiǎn)單的光學(xué)器械控制住光子的偏振態(tài)，使這次實(shí)驗的保真度最終達到了89%。也就是說(shuō)，“盡管不能正確無(wú)誤地發(fā)送每一個(gè)碼，但信息是可以傳送的”。
“如果地點(diǎn)允許，我們本來(lái)希望能達到20公里。”聯(lián)合小組成員、清華大學(xué)物理系副研究員蔣碩覺(jué)得很遺憾。他在一間窗臺上生長(cháng)著(zhù)翠綠爬藤的辦公室里接受了記者的采訪(fǎng)。
隨著(zhù)高度增加，空氣也會(huì )變得更加稀薄。所以，地表10公里的空氣密度，基本相當于從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度。“20 公里的傳送距離，就表明光子可以在地表與外層空間衛星間打一個(gè)來(lái)回。”這也就意味著(zhù)量子信息可以通過(guò)衛星在不同地區，甚至國家間傳遞。
可在野外實(shí)驗，狀況卻無(wú)法保證同實(shí)驗室里一樣理想而精確。最終，因為位置便利，研究者們將“秘密基地”分別設在八達嶺長(cháng)城腳下與河北懷來(lái)的兩家小旅館，地理距離16公里。
為了用激光為量子態(tài)傳輸打出一個(gè)光鏈路，他們的實(shí)驗大多在其他人沉入夢(mèng)鄉的夜晚進(jìn)行。光鏈路是為了幫助隨后分發(fā)的光量子“探路”。那些已經(jīng)睡著(zhù)了的人并不知道，這群在半夜里還擺弄著(zhù)有點(diǎn)嚇人的綠色激光的年輕人，也正在實(shí)現這個(gè)世界全新的通信夢(mèng)想。
量子計算機
這些站在科學(xué)領(lǐng)域最前沿的中國物理學(xué)家明白，進(jìn)行量子通信研究，除了能夠實(shí)現隱形傳態(tài)這種奇妙的物理現象以外，還能夠實(shí)現更重要的使命，那就是防御一種“還未出現的威脅”。
威脅來(lái)自尚未被成功發(fā)明的量子計算機。早在上個(gè)世紀，科學(xué)家們就已經(jīng)開(kāi)始設想，用量子系統構成的計算機來(lái)模擬量子現象，從而大幅度減少運算時(shí)間。如果將未來(lái)的量子計算機比作大學(xué)教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。
你可以想象這樣一個(gè)驚人的對比：現在對一個(gè)500位的阿拉伯數字進(jìn)行因子分解，目前最快的超級計算機將耗時(shí)上百億年，而量子計算機卻只需大約幾分鐘。
“一旦哪個(gè)瘋子發(fā)明出來(lái)量子計算機，他就可以攻破所有的密碼。”蔣碩指出了這個(gè)可怕的威脅。事實(shí)上，現在通用的加密方式并非如想象般安全，它們都有破譯的方法，只不過(guò)由于現有計算機運行能力的限制，破譯一個(gè)密鑰可能要耗費上萬(wàn)年，甚至上百萬(wàn)年。
如果量子計算機出現，我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個(gè)超級神偷，可以偷走現代文明中人們賴(lài)以生存的一切——銀行存款、網(wǎng)絡(luò )信息。它也足夠沖破軍事或安全系統，調轉導彈的軌道，令整個(gè)國家陷入混亂與災難。因此，沒(méi)有人敢懈怠，“這并不是一項杞人憂(yōu)天的研究。所有的防御必須出現在進(jìn)攻之前。”美國科學(xué)家的預言就像一個(gè)倒計時(shí)牌，“量子計算機可能將在50年之后出現。”
因此，“只有采用量子信息才是安全的，必須占據先機。”這樣一切“竊聽(tīng)手段”將失去原有的意義。如果一個(gè)間諜想要收集情報，他必須竊取發(fā)送途徑中的光子，經(jīng)過(guò)測量后再次傳給接收者。但因為光子對的糾纏特性，這樣的竊取就會(huì )被發(fā)現，“就像被嘗過(guò)的冰淇淋一樣”。
當然，眼下這只是一場(chǎng)看不見(jiàn)對手的戰爭。“如果沒(méi)有量子計算機這支矛，量子信息這面盾就發(fā)揮不出作用。”蔣碩說(shuō)。他同時(shí)也認為，即便技術(shù)成熟，“如果量子計算機沒(méi)有出現，并沒(méi)必要進(jìn)行大規模的產(chǎn)業(yè)換代”。
然而，這篇論文發(fā)表后，蜂擁而至的報道和議論卻讓科學(xué)家們發(fā)現，公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態(tài)的真正意義，“很多人都認為，這個(gè)實(shí)驗的成功代表著(zhù)超時(shí)空穿越可能實(shí)現。”
顯然，能夠傳遞一組信息并不意味著(zhù)已經(jīng)可以傳遞實(shí)物。“我們對世界的了解仍然不夠透徹。”一位研究者說(shuō)。科學(xué)家們現在還不知道應該如何通過(guò)隱形傳輸的方式傳送實(shí)物，“我們曾經(jīng)以為世界上最小的是原子，可是后來(lái)發(fā)現原來(lái)里面還有質(zhì)子和中子。然而，沒(méi)有人知道質(zhì)子和中子是否還能被繼續拆分。更何況想要傳送一個(gè)生命體，又該如何處理他復雜的腦電活動(dòng)呢？”
“目前我們實(shí)現的僅僅是單光子量子態(tài)的隱形傳輸，在未來(lái)有可能實(shí)現復雜量子系統的量子態(tài)隱形傳輸，但距離宏觀(guān)物體的量子態(tài)隱形傳輸還具有非常遙遠的距離。”彭承志說(shuō)。
也許，正是“非常遙遠的距離”帶給了人們遐想。畢竟，曾經(jīng)實(shí)驗臺上量子態(tài)只能前行幾米，而今，它已經(jīng)可以穿越16公里。將來(lái)，它還可能在星球之間傳遞。
“科技發(fā)展的速度有多快誰(shuí)能知道呢？”一位參加這項研究的科學(xué)家說(shuō)，“就好像打算盤(pán)時(shí)的人們永遠想不到，在不久的將來(lái)，人類(lèi)發(fā)明出了每秒運行幾千億次的電子計算機。”
中國成果
存放著(zhù)機密文件的保險箱被放入一個(gè)特殊裝置之后，可以突然消失，并且同一瞬間出現在相距遙遠的另一個(gè)特定裝置中，被人方便地取出。記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，日前，由中國科大和清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組在量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)上取得的新突破，可能使這種以往只能出現在科幻電影中的“超時(shí)空穿越”神奇場(chǎng)景變?yōu)楝F實(shí)。據聯(lián)合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò )的核心要素，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸的不再是經(jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息。
“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個(gè)個(gè)獨立的光子各自攜帶信息，通過(guò)發(fā)送和接收裝置進(jìn)行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個(gè)糾纏的光子互為一組，互相關(guān)聯(lián)，并且可以在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶著(zhù)信息的糾纏的光子進(jìn)行拆分，將其中一個(gè)光子發(fā)送到特定位置，這時(shí)，兩地之間只需要知道其中一個(gè)光子的即時(shí)狀態(tài)，就能準確推測另外一個(gè)光子的狀態(tài)，從而實(shí)現類(lèi)似‘超時(shí)空穿越’的通信方式。
據介紹，量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點(diǎn)。1997年，奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子態(tài)隱形傳輸的原理性實(shí)驗驗證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時(shí)空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾，量子態(tài)隱形傳輸的距離難以大幅度提高。
2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現更遠距離的量子通信。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進(jìn)入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優(yōu)勢。
據悉，該小組早在2005年就在合肥創(chuàng )造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發(fā)送的世界紀錄，同時(shí)驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開(kāi)始，中國科大——清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京架設了長(cháng)達16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎。
據悉，該成果已經(jīng)發(fā)表在6月1日出版的英國《自然》雜志子刊《自然光子學(xué)》上，并引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
參考資料
[1]
我國量子態(tài)隱形傳輸獲突破 "超時(shí)空穿越"或實(shí)現[引用日期2019-07-03]
[2]
我國科學(xué)家實(shí)現多模量子態(tài)的長(cháng)時(shí)間存儲 · 今日頭條-IT之家[引用日期2022-11-08]
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